第五章其它模具材料

鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能、良好的切削加工性、成本低、減磨耐磨性好、缺口敏感性低、消震性好等特點(diǎn)。鑄鐵廣泛用做模具材料始于19世紀(jì)，用作沖模、塑料模的模架，玻璃模具，很少用作模具凸凹模或型芯型腔。

普通鑄鐵是碳、硅、錳等元素組成的鐵合金，可看作是由石墨和基體組織組成。用于模具的有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵。在鑄鐵中，石墨的數(shù)量、大小、形狀、分布等影響鑄鐵的性能。合金鑄鐵包括耐磨鑄鐵、耐蝕鑄鐵、耐熱鑄鐵。第五節(jié)鑄鐵模具材料1第五節(jié)鑄鐵模具材料高磷耐磨鑄鐵：加入0.4％-0.7％的P可形成高硬度斷續(xù)網(wǎng)狀分布的磷共晶；鉻鉬銅耐磨鑄鐵：加入鉻、鉬、銅可形成高硬度的C、N化合物；釩鈦耐磨鑄鐵：加入V、Ti等元素，可形成高硬度的C、N化合物；耐磨鑄鐵用于機(jī)床導(dǎo)軌、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、活塞環(huán)、軸套、磨球等。1.耐磨鑄鐵2第五節(jié)鑄鐵模具材料

2.耐熱鑄鐵

鑄鐵的耐熱性是指它在高溫下抵抗氧化和生長的能力。氧化是指在高溫600℃以上反復(fù)加熱時(shí)，使鑄鐵表層發(fā)生化學(xué)腐蝕起皮的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由于氧化性氣體滲入鑄鐵內(nèi)部造成石墨氧化所致。

為防止鑄鐵的高溫氧化，可向鑄鐵中加入鋁、硅、鉻等合金元素，使鑄件表面形成一層致密的如A12O3，Si02，Cr2O3等氧化膜，保護(hù)內(nèi)部不被繼續(xù)氧化．并在高溫使用時(shí)不致發(fā)生石墨化過程，從而提高鑄鐵的耐熱性。3第五節(jié)鑄鐵模具材料

3.耐蝕鑄鐵鑄鐵中加入大量的Si、Al、Ni、Cu、Mo等合金元素，可以提高鑄鐵基體組織的電極電位，并使鑄鐵表面形成一層致密的保護(hù)膜，內(nèi)部組織為單相基體加孤立分布的少量球狀石墨，從而可使鑄鐵具有耐蝕性。根據(jù)腐蝕介質(zhì)的不同，需選擇不同的耐蝕合金鑄鐵。如高硅耐蝕鑄鐵在含氧酸(如硝酸等)中耐蝕性好；含銅耐蝕鑄鐵在堿性介質(zhì)中耐蝕性好。耐蝕合金鑄鐵主要用于制造化工機(jī)械的閥門、管道、泵及相關(guān)容器。4第五節(jié)鑄鐵模具材料普通灰口鑄鐵主要用于沖壓模、塑料模的模架及各種輔助模具，如上下模板、推料板、定位板、支架、模座等以及一些小型玻璃模具。球磨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、合金鑄鐵主要用于玻璃模具。5第五節(jié)鑄鐵模具材料一、玻璃模具材料的發(fā)展和應(yīng)用

隨著人民生活水平的不斷提高，耐熱玻璃餐具、微波爐玻璃盤、建筑玻璃磚、玻璃工藝品等高檔玻璃制品大量進(jìn)入人們的生活中。而中國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，又促使車燈玻璃的需求量急劇上升，給中國傳統(tǒng)的玻璃工業(yè)提供了良好的發(fā)展機(jī)遇。

6第五節(jié)鑄鐵模具材料

玻璃模具對模具材料的性能要求在玻璃制品的成型過程中，模具頻繁地與1100℃以上的熔融玻璃接觸，承受氧化、生長及熱疲勞等作用。同時(shí)，模具的接觸面由于與玻璃制品的摩擦而被磨損，這就要求模具材料具有良好的耐熱、耐磨，耐腐蝕、抗熱沖擊、抗氧化、抗生長、抗熱疲勞性能，其中抗氧化性能是最主要的性能指標(biāo)。此外，還要求模具易于加工、導(dǎo)熱好、熱膨脹系數(shù)小。目前國內(nèi)外普遍都采用耐熱鑄鐵、不銹鋼、耐熱合金鋼作為玻璃模具材料。

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灰鑄鐵在玻璃模具中的應(yīng)用由于灰鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能和易加工性，而被廣泛用于制造玻璃模具，而且特別適合于中小型鑄造廠生產(chǎn)，制造玻璃瓶成形模具的最常用材料就是HT200。但普通灰鑄鐵中的石墨為A型，耐熱性較差，長期受熱會出現(xiàn)生長和膨脹，使其結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度降低、脆性增大，常因氧化剝落、磨損、變形而失效。通過往鑄鐵中加入Ni、Cr、Mo、Ti、V、Cu等合金元素，并選擇合理的工藝，來改善石墨的形態(tài)和基體組織，從而獲得性能良好的模具。為了提高模具的壽命，在鑄鐵中加入Cu、Cr、Sn等元素，促進(jìn)珠光體的形成，提高模具的抗磨損能力。加入Si、Al等元素，形成致密的SiO2和Al203氧化膜，從而提高模具表面的抗氧化能力。第五節(jié)鑄鐵模具材料8球墨鑄鐵在玻璃模具中的應(yīng)用同灰鑄鐵相比，球墨鑄鐵中的石墨為球狀，提高了材料的致密性，減小了石墨對基體的切割作用，孕育作用使晶粒度比灰鑄鐵小，使球墨鑄鐵的綜合性能提高。球墨鑄鐵雖然有較高的強(qiáng)度和韌性，并有良好的抗氧化性能，其抗熱疲勞性能也優(yōu)于其它鑄鐵，但由于其石墨呈孤立的球，導(dǎo)熱性較差，使玻璃制品在模腔中不能快速冷卻，從而限制了成型速度的提高，不能適應(yīng)機(jī)械化生產(chǎn)的要求，也限制了其在玻璃模具中的應(yīng)用，故只用于制造小型玻璃模具。第五節(jié)鑄鐵模具材料9蠕墨鑄鐵在玻璃模具中的應(yīng)用由于蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能與球墨鑄鐵相近，具有較高的導(dǎo)熱性、抗氧化性和抗生長能力，又有像灰鑄鐵那樣良好的鑄造性能和機(jī)械加工性能，使蠕墨鑄鐵具有良好的綜合性能，而用于制造玻璃模具材料。蠕墨鑄鐵朝著合金化方面也得到快速發(fā)展，如采用V-Ti合金、Cr-Mo合金制造蠕墨鑄鐵。第五節(jié)鑄鐵模具材料10

鑄鐵的抗氧化性能鑄鐵中的石墨為碳質(zhì)材料，在高溫氧化性氣氛下會被氧化，石墨片越粗大、連續(xù)，石墨數(shù)量越多，氧化性氣氛越易侵入鑄件內(nèi)部，氧化也越嚴(yán)重。當(dāng)石墨為球狀、點(diǎn)狀時(shí)，由于石墨互不連續(xù)，氣體不易沿石墨侵入，鑄件氧化可大大減輕，抗氧化性能明顯提高。為了防止鑄鐵氧化生長，常常加入合金元素Cr、Mo、Ni、V等元素，以提高鑄鐵的抗氧化性能。

灰鑄鐵抗氧化性最差，球墨鑄鐵抗氧化性最好。

蠕墨鑄鐵介于之間。第五節(jié)鑄鐵模具材料11

鑄鐵的熱導(dǎo)率在實(shí)際生產(chǎn)中玻璃料滴入玻璃模具內(nèi)腔的溫度大約為1100℃，冷卻到780℃以下從模具中取出。為此，模具溫度應(yīng)盡快降至780℃

，以提高生產(chǎn)效率，適應(yīng)成型速度的要求，因此模具的散熱能力是非常重要的。

灰鑄鐵導(dǎo)熱性好，球墨鑄鐵導(dǎo)熱性差。

蠕墨鑄鐵介于之間。

第五節(jié)鑄鐵模具材料12耐熱合金鋼在玻璃模具中的應(yīng)用由于對玻璃制品的質(zhì)量要求越來越高，近年來開始采用合金鋼制模，合金鋼在大多數(shù)情況下比鑄鐵能更好地滿足對玻璃模具提出的性能要求。鋼的導(dǎo)熱性次于鑄鐵，因此使用時(shí)易出現(xiàn)過熱，產(chǎn)生黏附現(xiàn)象。因此必須采用強(qiáng)制冷卻、合理設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)、用硅酮脂潤滑等方法。玻璃模具要承受很大的壓力和很高的溫度，因此要求模具材料的強(qiáng)度高、熱變形小、耐熱性好，通常采用耐熱合金鋼，如3Cr2W8、5CrNiMo和Crl7Ni2MoVRe等，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

第五節(jié)鑄鐵模具材料13不銹鋼在玻璃模具中的應(yīng)用

不銹鋼是一種耐腐蝕、強(qiáng)度高、耐氧化及韌性好的材料，熱膨脹小，英國很早就用于制造沖頭、襯模等，美國用AISI430（Cr17）和AISI310(25Cr-20Ni)

等不銹鋼制造玻璃成型模具。第五節(jié)鑄鐵模具材料14國外的玻璃模具材料主要為耐熱鑄鐵、不銹鋼和耐熱合金鋼，加工后再經(jīng)表面強(qiáng)化處理，模具壽命高達(dá)(40-50)萬次。國內(nèi)普遍采用灰鑄鐵，使用壽命一般為(7-12)萬次，與國外的差距較大。近年來，我國研制了多種新型玻璃模具材料，模具壽命普遍提高。

第五節(jié)鑄鐵模具材料15硬質(zhì)合金是用粉末冶金方法制造的一類復(fù)合材料。硬質(zhì)合金的硬度很高、耐磨性好，有高的彈性模量和高的使用工作溫度。用于制作某些模具，模具使用壽命可提高數(shù)倍、數(shù)十倍以上。但硬質(zhì)合金較脆，抗彎強(qiáng)度和韌性較差，且不能進(jìn)行機(jī)械加工。硬質(zhì)合金作為模具材料，主要用于拉絲模具、受沖擊力不大的冷擠和冷沖模具等。第六節(jié)硬質(zhì)合金及鋼結(jié)硬質(zhì)合金16第六節(jié)硬質(zhì)合金及鋼結(jié)硬質(zhì)合金常用硬質(zhì)合金的分類與牌號（1）鎢鈷類硬質(zhì)合金主要成分是碳化鎢（WC）和粘結(jié)劑鈷（Co）。牌號用“YG+數(shù)字”表示，例：YG15。（2）鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金主要成分是碳化鎢、碳化鈦（TiC）和粘結(jié)劑鈷。牌號用“YT+數(shù)字”表示，例：YT15表示。（3）通用硬質(zhì)合金主要成分是碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭（或碳化鈮）和粘結(jié)劑鈷。牌號用“YW+數(shù)字”表示，例：YW1。17第六節(jié)硬質(zhì)合金及鋼結(jié)硬質(zhì)合金（1）鎢鈷類硬質(zhì)合金碳化鎢的含量越高，粘結(jié)劑鈷的含量越低，則合金的硬度、耐磨性、紅硬性越高，抗彎強(qiáng)度和韌性越低。（2）鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金由于碳化鈦的加入，提高了硬度、耐磨性和熱硬性，但抗彎強(qiáng)度和韌性有所下降。（3）通用硬質(zhì)合金因含碳化鉭（或碳化鈮），有利于提高抗彎強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐熱性和抗氧化能力。常用硬質(zhì)合金的性能18為了滿足制造集成電路板鉆孔用的微型鉆頭、計(jì)算機(jī)用的點(diǎn)陣打印針、精密工模具等的需要，近年來，各國都研制出一些微晶(WC晶粒小于1微米)和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金(WC晶粒小于0.6微米)，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金中，WC晶粒尺寸為1.3～1.5微米。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金彌補(bǔ)了常規(guī)硬質(zhì)合金的許多不足，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，在制造耐磨耐沖擊工模等方面取得了良好的效果。我國一些研究單位和硬質(zhì)合金廠已研制出多種牌號的微晶硬質(zhì)合金和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金。開發(fā)高性能超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金目前仍是硬質(zhì)合金研究的熱點(diǎn)。第六節(jié)硬質(zhì)合金及鋼結(jié)硬質(zhì)合金19

鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以碳化物為硬質(zhì)相，鋼作粘接相形成的復(fù)合材料。性能介于高速鋼和硬質(zhì)合金之間，并可進(jìn)行鍛造、切削加工、熱處理、焊接。適用于制造各種形狀復(fù)雜的模具。我國于60年代開始研制這種材料，已研制成多種牌號的鋼結(jié)硬質(zhì)合金，用作模具的鋼結(jié)硬質(zhì)合金，硬質(zhì)相主要用TiC和WC，鋼的基體主要采用低合金鉻鉬鋼、中高合金工具鋼或高速鋼，如TiC系的GT35、R5、D1、T1和WC系的TLMW50、GW50、GJW50。鋼結(jié)硬質(zhì)合金已用于制作冷鐓模、擠壓模、拉伸模、沖裁摸、拉絲模、熱鐓模等。第六節(jié)硬質(zhì)合金及鋼結(jié)硬質(zhì)合金20粉末冶金技術(shù)的發(fā)展和熱等靜壓的應(yīng)用，導(dǎo)致七十年代無偏析粉末高速鋼的生產(chǎn)和使用，其主要特點(diǎn)是強(qiáng)韌性、可磨削性、等向性、熱處理工藝性都優(yōu)于一般高速鋼，并有比較高的使用壽命。以后用此技術(shù)生產(chǎn)常規(guī)工藝無法生產(chǎn)的高碳高釩高耐磨冷模具鋼，這類鋼有較好的切削加工性和磨削性能，并有較好的韌性，制成的模具使用壽命與一些硬質(zhì)合金相近。國外已生產(chǎn)多種牌號的粉末冶金高耐磨冷模具鋼，國內(nèi)尚少研究。第六節(jié)硬質(zhì)合金及鋼結(jié)硬質(zhì)合金21低熔點(diǎn)合金模具是采用熔點(diǎn)較低的有色金屬合金作為鑄模材料，以樣件為基準(zhǔn)，在熔箱內(nèi)鑄模成形的一種模具。20世紀(jì)后期，低熔點(diǎn)合金模具得到廣泛應(yīng)用。低熔點(diǎn)合金模具可用于拉深成形模和壓形模、壓彎模、翻邊模，也可用于鑲鋼的落料模和切邊模。第七節(jié)有色金屬及合金模具材料22

低熔點(diǎn)模具的特點(diǎn)

低熔點(diǎn)合金沖壓模具的最大特點(diǎn)是：凸、凹?？梢酝ㄟ^鑄模同時(shí)形成；鑄模后，凸、凹模之間的間隙均勻，使用時(shí)不需要調(diào)整；可在壓機(jī)上直接鑄模，鑄后即可使用；鑄模合金材料可以反復(fù)熔鑄，或改制其它模具。第七節(jié)有色金屬及合金模具材料231制模工藝簡單低熔點(diǎn)合金模具采用鑄模成形，省去大量機(jī)械加工工作量，特別是對大型覆蓋件的形狀復(fù)雜模具，均不需要大型專用設(shè)備，如數(shù)控仿形銑床等。與鋼模相比，制模工藝簡單，降低了模具制造的難度，一般工廠都可制造。2制模周期短由于鑄模工藝較機(jī)加工工藝節(jié)省了大量工時(shí)，省去了較費(fèi)工費(fèi)時(shí)的研配、調(diào)整型腔間隙等工作，與同類鋼模相比，制造周期可縮短80％左右。3制模成本低低熔點(diǎn)合金，在模具中占有相當(dāng)比例，可節(jié)省大量鋼材。同時(shí)合金材料可以長期反復(fù)使用損耗很小。模具失效后，合金材料仍可繼續(xù)使用。與鋼模相比，模具制造成本可降低60％-80％，耗用鋼材可減少70％～80％。

第七節(jié)有色金屬及合金模具材料243模具對低熔點(diǎn)合金模材料的要求1）熔點(diǎn)低熔點(diǎn)低易于熔化，可以方便地在壓機(jī)上進(jìn)行鑄模具，用于模具的錫鉍合金熔點(diǎn)為150℃左右。2）具有一定的強(qiáng)度模具在成型產(chǎn)品時(shí)要承受一定的壓力，所用合金材料必須有一定的機(jī)械強(qiáng)度，材料強(qiáng)度越高，模具使用壽命就越長。目前，用于模具的合金材料，其抗拉力強(qiáng)度可達(dá)50～100MPa，抗壓強(qiáng)度可達(dá)50～100MPa，布氏硬度l5～25HBS。第七節(jié)有色金屬及合金模具材料253模具對低熔點(diǎn)合金模材料的要求3）冷凝時(shí)漲縮率小制作模具的低熔點(diǎn)合金材料，理想脹縮率最好等于零，即凝固時(shí)既不膨脹也不收縮，但這樣的合金極少，只要合金材料的脹縮率盡可能小或略有冷脹性即可，這樣，鑄出的模具才能保證型腔幾何尺寸準(zhǔn)確。鉍和銻兩種金屬冷凝時(shí)體積不收縮，鉍的冷凝膨脹率為3．3％。由于鉍和銻具有較好的綜合性能，因此目前普遍采用鉍基合金作為模具低熔點(diǎn)合金材料。目前應(yīng)用較普遍的低熔點(diǎn)合金材料是錫鉍二元共晶合金及其他合金。第七節(jié)有色金屬及